情感計算綜述

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上情感計算綜述控制工程1102班 李曉宇 摘要：情感計算是人工智能的一個分支。情感計算的目的是通過賦予計算機識別、理解、表達和適應人的情感的能力來建立和諧人機環(huán)境，并使計算機具有更高的、全面的智能。本文分別從情感計算的研究歷史、應用前景、研究內容和理論框架來闡述情感計算，以便使更多的人了解情感計算。關鍵字: 情感計算；情感識別；情感理論框架Summary of Affective ComputingAbstract：Affective computing is a branch of artificial intelligence. The aim of affecti

2、ve computing is to give computers to recognize, understand, adapt to people's emotional expression and the ability to establish harmonious human environment, and to have higher computer, full of intelligence. This paper explain affective computing through the study of history of affective comput

3、ing ,applications in the future, research content and theoretical framework, so that more people understand the affective computing.Key word: Affective computing; emotion recognition; the theoretical framework of emotional1、引言情感計算的概念是在1997年由MIT媒體實驗室Picard教授提出，她指出情感計算是與情感相關，來源于情感或能夠對情感施加影響的計算。中國科學院自動

4、化研究所的胡包剛等人也通過自己的研究，提出了對情感計算的定義：“情感計算的目的是通過賦予計算機識別、理解、表達和適應人的情感的能力來建立和諧人機環(huán)境，并使計算機具有更高的、全面的智能”。在較長一段時期內，情感一直位于認知科學研究者的視線以外。直到20世紀末期，情感作為認知過程重要組成部分的身份才得到了學術界的普遍認同。當代的認知科學家們把情感與知覺、學習、記憶、言語等經典認知過程相提并論，關于情感本身及情感與其他認知過程間相互作用的研究成為當代認知科學的研究熱點，情感計算（ affective computing ）也成為一個新興研究領域。 眾所周知，人隨時隨地都會有喜怒哀樂等情感的起伏變化。

5、那么在人與計算機交互過程中，計算機是否能夠體會人的喜怒哀樂，并見機行事呢？情感計算研究就是試圖創(chuàng)建一種能感知、識別和理解人的情感，并能針對人的情感做出智能、靈敏、友好反應的計算系統，即賦予計算機像人一樣的觀察、理解和生成各種情感特征的能力。2、研究現狀讓計算機具有情感能力首先是由美國MIT大學Minsky教授 （人工智能創(chuàng)始人之一） 提出的。他在1985年的專著The Society of Mind中指出，問題不在于智能機器能否有任何情感，而在于機器實現智能時怎么能夠沒有情感。從此，賦予計算機情感能力并讓計算機能夠理解和表達情感的研究、探討引起了計算機界許多人士的興趣。這方面的工作首推美國MI

6、T媒體實驗室Picard教授領導研究小組的工作。情感計算一詞也首先由Picard教授于1997年出版的專著Affective Computing中提出并給出了定義，即情感計算是關于情感、情感產生以及影響情感方面的計算。目前情感計算的研究普遍受到學術界和企業(yè)界的關注，國際知名公司，如IBM和British Telecom等均成立了專門的情感計算研究小組。國際知名大學也紛紛建立情感計算研究小組?？偟膩碚f，情感計算的研究均處于起步階段。MIT目前的工作側重于有關情感信號的獲?。ㄈ绺黝悅鞲衅鞯难兄疲?、情感計算的應用和可穿戴計算機。日本學者的研究側重于感性信息處理方面。在情感計算的研究過程中，與之密切相

7、關的可穿戴計算機的研究近幾年來也得到了迅猛的發(fā)展（于1997年10月在美國波士頓召開第一次國際研討會后已連續(xù)舉行多次國際會議）。這種計算機的特點是可以巧妙地構成日常穿戴的一部分（如眼鏡、手表、項鏈、手鐲、腰帶、鞋、帽、服裝等），使計算機和其穿戴者始終保持形影不離?？纱┐饔嬎銠C可為情感計算的研究提供一個很好的研究平臺，另外情感計算的最終表現形式可能是可穿戴計算機或植入人體的芯片，從而將情感計算、移動計算和計算機融合而真正成為個性化的人機融合。雖說情感計算是一門新興學科，但以往的研究也為其提供了一定的知識積累。從情感方面來講，人類心理學和生理學的研究為情感計算提供了堅實的基礎；從相關研究內容來講，

8、如人臉及面部表情識別、人臉及面部表情合成、手語識別與合成、氣味識別等也是學術界一直研究的重點；同樣各種醫(yī)學器械、測謊儀等的研制成功也為情感計算提供了一定的依據。目前人工智能的研究發(fā)展已經達到了較高的水平，同時它的研究內容也在逐步擴展和延伸。對人的情感和認知的研究是人工智能的高級階段，它的研究將會大大促進擬人控制理論、情感機器人、人性化的商品設計和市場開發(fā)等方面的進展，為最終營造一個人與人、人與機器和諧的社會環(huán)境做出貢獻。心理學家認為，人工智能下一個重大突破性的發(fā)展可能來自與其說賦予機器更多的邏輯智能，倒不如說賦予計算機更多的情感智能。對人的情感和認知的研究是在人工智能理論框架下的一個質的進步。

9、因為從廣度上講它擴展并包容了感情智能，從深度上講感情智能在人類智能思維與反應中體現了一種更高層次的智能。對人的情感和認知的研究必將為計算機的未來應用展現一種全新的方向。在這個領域的研究中主要包括情感計算（Affective Computing）、人工心理（Artificail Psychology）和感性工學（Kansei Engineering）等。2.1 國際研究現狀MIT對情感計算進行全方位研究，正在開發(fā)研究情感機器人，最終有可能人機融合。其媒體實驗室與HP公司合作進行情感計算的研究。IBM公司的“藍眼計劃”，可使計算機知道人想干什么，如當人的眼瞄向電視時，它竟知道人想打開電視機，它便發(fā)

10、出指令打開電視機。此外該公司還研究了情感鼠標，可根據手部的血壓及溫度等傳感器感知用戶的情感。CMU主要研究可穿戴計算機。日本在對感性信息處理的研究中，有眾多研究單位參與，主要集中在研究所和高校。特別值得一提的是，日本歐姆龍公司研制生產的機器玩具曾風行一時，最高價達4000美元。隨后其它公司也進行機器狗等玩具的生產。顯然情感計算的研究不僅具有重要的科學和學術價值，也存在著巨大的商機，有很好的經濟效益。2.1 國內研究現狀國內研究主要側重于單元理論與技術的研究與實現。哈爾濱工業(yè)大學以高文教授為主， 研究多功能情感機，主要包括表情識別，人臉識別，人臉檢測與跟蹤、手語識別、手語合成、表情合成、唇讀等內

11、容，并與海爾公司合作研究服務機器人。中國科學院計算技術研究所王兆其的研究組正在研究帶有表情和動作的虛擬人。北京工業(yè)大學正進行多功能感知機同情感計算的融合研究。中國科學院自動化研究所主要研究基于生物特征的身份驗證。南京航空航天大學、南京機械高等?？茖W校研究語音情感計算。重慶大學主要研究智能服務、增強現實、 環(huán)境感知、臺智能手表等，注重軟件方面的研究。海南大學主要研究軍用無線局域網結構中的可穿戴計算機。中科院心理學所、生物所主要注重人生理學、心理學方面的研究。特別是中科院計算所高文教授提出的多功能感知技術，為情感計算的研究提供了很好的知識積累。更為重要的是國家自然科學基金項目將和諧人機環(huán)境中的情感

12、計算理論研究列為1998年信息技術高技術探索第六主題。這說明，情感計算的研究在我國也逐步得到認識，其工作也在漸漸展開。3、情感計算的應用前景很顯然，開展認知科學研究不僅僅是為了滿足人類智慧上的好奇心，更重要的是服務于人類，提高人類的生活質量。情感計算有廣泛的應用前景。計算機通過對人類的情感進行獲取、分類、識別和響應，進而可以幫助使用者獲得高效而又親切的感覺，并有效減輕人們使用電腦的挫敗感，甚至幫助人們理解自己和他人的情感世界。計算機的情感化設計能幫助我們增加使用設備的安全性，使經驗人性化，使計算機作為媒介進行學習的功能達到最佳化。在信息檢索中，通過情感分析的概念解析功能，可以提高智能信息檢索的

13、精確度和效率。在電子商務領域，在設計購物網站和股票交易網站等時充分利用人的情感因素的作用，以改變客流量。針對人的肢體運動，可以設計一系列運動和身體信息捕獲設備，例如，將智能座椅應用于汽車的駕座上，用于動態(tài)監(jiān)測駕駛人員的情感狀態(tài)，并提出適時警告。多模式的情感交互技術能構筑更貼近人們生活的智能空間或虛擬場景，而機器人、智能玩具、游戲等產業(yè)則能構筑出更加擬人化的風格和更加逼真的場景。 情感計算是一個高度綜合化的研究和技術領域。通過計算科學與心理科學、認知科學的結合，研究人與人交互、人與計算機交互過程中的情感特點，設計具有情感反饋的人與計算機的交互環(huán)境，將有可能實現人與計算機的情感交互。情感計算研究將

14、不斷加深對人的情感狀態(tài)和機制的理解，并提高人與計算機界面的和諧性，即提高計算機感知情境，理解人的情感和意圖，作出適當反應的能力。4、情感計算的基本內容人們期盼著能擁有并使用更為人性化和智能化的計算機。在人機交互中，從人操作計算機，變?yōu)橛嬎銠C輔助人；從人圍著計算機轉，變?yōu)橛嬎銠C圍著人轉；計算機從認知型，變?yōu)橹庇X型。顯然，為實現這些轉變，人機交互中的計算機應具有情感能力。情感計算研究就是試圖創(chuàng)建一種能感知、識別和理解人的情感，并能針對人的情感做出智能、靈敏、友好反應的計算系統。 情感被用來表示各種不同的內心體驗（如情緒、心境和偏好），情緒被用來表示非常短暫但強烈的內心體驗，而心境或狀態(tài)則被用來描述

15、強度低但持久的內心體驗。情感是人與環(huán)境之間某種關系的維持或改變，當客觀事物或情境與人的需要和愿望符合時會引起人積極肯定的情感，而不符合時則會引起人消極否定的情感。情感具有三種成分：主觀體驗，即個體對不同情感狀態(tài)的自我感受；外部表現，即表情，在情感狀態(tài)發(fā)生時身體各部分的動作量化形式。表情包括面部表情（面部肌肉變化所組成的模式）、姿態(tài)表情（身體其他部分的表情動作）和語調表情（言語的聲調、節(jié)奏、速度等方面的變化）；生理喚醒，即情感產生的生理反應，是一種生理的激活水平，具有不同的反應模式。概括而言，情感的重要作用主要表現在四個方面：情感是人適應生存的心理工具，能激發(fā)心理活動和行為的動機，是心理活動的組

16、織者，也是人際通信交流的重要手段。從生物進化的角度我們可以把人的情緒分為基本情緒和復雜情緒。基本情緒是先天的，具有獨立的神經生理機制、內部體驗和外部表現，以及不同的適應功能。人有五種基本情緒，它們分別是當前目標取得進展時的快樂，自我保護的目標受到威脅時的焦慮，當前目標不能實現時的悲傷，當前目標受挫或遭遇阻礙時的憤怒，以及與味覺（味道）目標相違背的厭惡。而復雜情緒則是由基本情緒的不同組合派生出來的。情感測量包括對情感維度、表情和生理指標三種成分的測量。例如，我們要確定一個人的焦慮水平，可以使用問卷測量其主觀感受，通過記錄和分析面部肌肉活動測量其面部表情，并用血壓計測量血壓，對血液樣本進行化驗，檢

17、測血液中腎上腺素水平等。確定情感維度對情感測量有重要意義，因為只有確定了情感維度，才能對情感體驗做出較為準確的評估。情感維度具有兩極性，例如，情感的激動性可分為激動和平靜兩極，激動指的是一種強烈的、外顯的情感狀態(tài)，而平靜指的是一種平穩(wěn)安靜的情感狀態(tài)。心理學的情感維度理論認為，幾個維度組成的空間包括了人類所有的情感。但是，情感究竟是二維，三維，還是四維，研究者們并未達成共識。情感的二維理論認為，情感有兩個重要維度：愉悅度（也有人提出用趨近-逃避來代替愉悅度）；激活度，即與情感狀態(tài)相聯系的機體能量的程度。研究發(fā)現，驚反射可用做測量愉悅度的生理指標，而皮膚電反應可用做測量喚醒度的生理指標。情感是一種

18、內部的主觀體驗，但總是伴隨著某種外部表現，即表情。面部表情、姿態(tài)表情、語調表情三種表情被稱之為體語，構成了人類的非言語交往方式。面部表情是指通過眼部、顏面和口部肌肉的變化來表現各種情感狀態(tài)。面部表情不僅是人們常用的較自然的表現情感的方式，也是人們鑒別情感的主要標志。研究表明，人臉的不同部位具有不同的表情作用，例如，眼睛對表達憂傷最重要，口部對表達快樂與厭惡最重要，前額能提供驚奇的信號，而眼睛、嘴和前額等對表達憤怒很重要。使用特定的儀器可以對面部的微小表情變化進行研究，甚至可以區(qū)分真笑和假笑：人在真笑時面頰上升，眼周圍的肌肉堆起，大腦左半球的電活動增加；而人在假笑時僅有嘴唇的肌肉活動，下顎下垂，

19、大腦左半球的電活動不明顯。臉部運動編碼系統FACS通過不同編碼和運動單元的組合，可以在臉部形成復雜的表情變化，其成果已經被應用于人臉表情的自動識別與合成。還有MPEG-4 V2視覺標準，定義了3個重要的參數集，即人臉定義參數、人臉內插變換參數和人臉動畫參數，其表情參數具體數值的大小代表人激動的程度，可以組合多種表情以模擬混合表情。目前面部表情的研究側重于對三維圖像的更細致的描述和建模，也注重使用復雜的紋理和較細致的圖形變換算法，以達到生動的情感表達效果。人的姿態(tài)即身體表情，一般伴隨著交互過程而發(fā)生變化，并表達著一些信息。而語調表情是通過語音的高低、強弱、抑揚頓挫來表達說話人的情感。在人際交往中

20、，語音是人們最直接的交流通道。通過語音人很容易就能感受到對方的情感變化，就像“你真行!”這句話，既可以表示贊賞，也同樣可以表示諷刺或妒忌。情感語音研究目前主要側重于情感的聲學特征的分析。語音中的情感特征往往通過語音韻律的變化表現出來（如當一個人發(fā)怒時，講話的速率可能變快，音量變大，音調變高等），但也可同時通過一些音素特征（如共振峰、聲道截面函數等）表現出來。中國科學院心理研究所、中國科學院自動化研究所、清華大學計算機系等機構都在從事相關研究。在人機交互研究中已使用過很多種生理指標，例如，皮質醇水平、心率、血壓、呼吸、皮膚電活動、掌汗、瞳孔直徑、事件相關電位、腦電EEG等。生理指標的記錄需要特定

21、的設備和技術，在進行測量時，研究者有時很難分離各種混淆因素對所記錄的生理指標的影響。情感計算研究的內容包括三維空間中動態(tài)情感信息的實時獲取與建模，基于多模態(tài)和動態(tài)時序特征的情感識別與理解，及其信息融合的理論與方法，情感的自動生成理論及面向多模態(tài)的情感表達，以及基于生理和行為特征的大規(guī)模動態(tài)情感數據資源庫的建立等。5、情感計算的理論框架情感的產生與運行是一個非常復雜的過程，情感計算必須建立在科學的情感理論的基礎之上，才是現實的，沒有一個全新的科學的情感理論作指導，要研發(fā)真正意義上的情感機器人是不可能的。這種全新的情感理論必須突破心理學的局限，也必須突破社會科學的局限，成為一門獨立的、橫跨自然科學

22、與社會科學的交叉性科學理論，其根本目的在于：情感數字化。這種全新的情感理論就是“數理情感學”，它以“統一價值論”為理論前提，采用數理邏輯方法分析情感現象與情感規(guī)律的科學。 歸納起來，“統一價值論”與“數理情感學”主要通過如下步驟共同完成情感機器人的理論框架。 (1) 實現所有不同價值的統一度量改造物理學的“耗散結構論”，從物理學角度定義“價值”概念（即廣義有序化能量），使價值理論建立在自然科學的基礎之上；實現生活資料使用價值的統一度量；然后，實現勞動價值的統一度量；實現生產資料使用價值的統一度量。這樣一來，所有價值都有著統一、明確而穩(wěn)定的度量標準或度量尺度：能量尺度（焦耳）。 (2) 推導出“

23、廣義價值規(guī)律”由“最大有序化法則”推導出“最大價值率法則”（價值率就是單位時間內產出價值與投入價值的比值，在經濟領域，價值率就是利潤率）； 由“最大價值率法則” 推導出“選擇傾向性法則”或“中值價值率法則”； 由“中值價值率法則” 推導出“廣義價值規(guī)律”。廣義價值規(guī)律的基本內涵就是：事物的價值率不斷趨近于主體的中值價值率?；蛘哒f，事物的價值率高差（即事物的價值率與主體的中值價值率之差）不斷趨于零。 (3) 揭示認知、情感與意志的哲學本質及相互關系知（認知）、情（情感）、意（意志）是人類心理活動的三種基本形式，分別是對事實關系、價值關系和自身行為關系的一種主觀反映；價值關系是一種特殊的事實關系，

24、自身行為關系是一種特殊的價值關系，因此，情感是一種特殊的認知，意志又是一種特殊的情感； 認知主要是關于“是如何”的認識，情感主要是關于“應如何”的認識，意志主要是關于“怎么辦”的認識；情感以認知為基礎，認知以情感為導向，意志以情感為基礎，情感以意志為導向。 (4) 建立情感的數學模型情感與價值觀的哲學本質都是“人腦對于事物價值特性的一種主觀反映”，其中，情感是對事物價值特性的間接性和相對性反映，而價值觀是對事物價值特性的直接性和絕對性反映；價值觀的客觀目的在于識別“事物的價值率”，可以采用所有不同事物的價值率所組成的數學矩陣來描述一個人的價值觀系統（即i×jm×n）；情感的

25、客觀目的在于識別“事物的價值率高差”，可以采用所有不同事物的價值率高差所組成的數學矩陣來描述一個人的情感系統（即i×jm×n）；情感矩陣與相應的作用系數矩陣一起，可以進行交集運算與并集運算；情感系統中的每個情感元素又可以由若干個情感子元素所組成的情感矩陣來構成，從而構成二維和多維的情感矩陣。 (5) 建立意志的數學模型意志的哲學本質都是“人腦對于自身行為價值特性的一種主觀反映”；意志的客觀目的在于識別和處理“自身行為的價值率”，可以采用所有不同行為方式的價值率高差所組成的數學矩陣來描述一個人的意志系統（即xi×jm×n）；意志矩陣與相應的作用系數矩陣一起

26、，可以進行交集運算與并集運算；意志系統中的每個意志元素又可以由若干個意志子元素所組成的意志矩陣來構成，從而構成二維和多維的意志矩陣，即超復雜行為的意志由若干復雜行為的意志矩陣所組成，復雜行為的意志又由若干簡單行為的意志矩陣所組成，簡單行為的意志由若干本能行為的意志矩陣所組成。 (6) 闡述情感運行的內在邏輯程序情感表達的邏輯程序大致是：接收事物的刺激信號，提取該事物的價值觀，比較人自身的中值價值率，確定情感的強度與方向，選擇情感表達模式，接收和處理情感表達所產生的反饋信號；情感識別的邏輯程序大致是：接收事物的刺激信號，檢測和提取特征參數，比較情感模式，產生情感反映，存儲情感信息到情感矩陣之中；

27、情感計算的邏輯程序大致是：將事物的價值率高差“對數轉換”為情感強度，對情感強度進行交集、并集運算，產生新的情感強度，將情感強度“指數還原”為新事物的價值率高差；情感修正的邏輯程序大致是：人通過感覺與思維，了解到某事物的實際價值率高差，與大腦中情感矩陣所記憶該事物的主觀價值率高差，存在一定的差異，人就會修正對于該事物的情感強度。 (7) 闡述意志運行的內在邏輯程序意志表達（即行為實施）的邏輯程序大致是：接收某種價值目標事物的刺激信號，提取能夠最有效實現該價值目標的多種相關行為的主觀價值率（即行為價值觀），比較自身的中值價值率，確定多種相關行為的意志強度與意志方向，選取具有最大意志強度的相關行為，并組織實施該相關行為。意志計算（即行為設計）的邏輯程序大致是：確立價值目標（根據自身生存與發(fā)展的需要），設計整體方案（按照最大價值率法則，把超復雜行為分解為若干個復雜行為，并通過意志的并集運算與交集運算，計算出該超復雜行為的意志強度），制定實施細則（按照最大價值率法則，把復雜行為分解為若干個簡單行為，并通過意志的并集運算與交集運算，計算出該復雜行為的意志強度），落實具體行為（按照最大價值率法則，把簡單行為分解為若干個本能行為，并通過意志的并集運算與交集運算，計算出該簡單行為的意志強度），將上述各個層次的意志強度“指數還原”為相應的行為